Belgorod, Belgorod, Russian Federation
employee
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
Karaganda, Kazakhstan
GRNTI 55.03 Машиноведение и детали машин
BBK 344 Общее машиностроение. Машиноведение
At present, due to the rapidly developing pace of construction, a lack of natural raw materials for the production of building materials is acute. Accordingly, the actual task of the construction industry is the preservation of natural raw materials, energy saving and environmental protection, processing production waste purposed to make high-quality products and creating waste-free production. Analysis of Russian raw material resources shows the most large-tonnage raw material is the waste of wet magnetic separation formed during the enrichment of ores. A completed set of studies on the use of wet magnetic separation waste demonstrate the most effective use is to mechanically activate a mixture of waste and cement; preparation of a new class of binders - finely ground multicomponent cements and low water demand blinders. Taking into account the existing requirements, experimental centrifugal grinding unit with predetermined trajectories of the grinding chambers are chosen to conduct complex experimental studies. The developed centrifugal grinding unit is designed for grinding materials with different physicomechanical characteristics by the combined grinding method (dry and wet), both in periodic and in continuous modes. Analysis of experimental studies outcomes indicates the efficiency of using centrifugal grinding unit in the wet grinding and allows justifying the significant superiority of wet grinding for the production of finely ground raw materials.
mining waste, recycling, construction materials, mechanical activation, centrifugal grinding unit, dry method, wet method, specific surface area
В настоящее время в связи с быстро развивающимися темпами строительства остро встала проблема недостатка природного сырья для производства строительных материалов. Исходя из этого, актуальной задачей строительной индустрии является сохранение естественных сырьевых ресурсов, энергосбережение и защита окружающей среды, переработка отходов производств с целью изготовления из них высококачественных продуктов и создание безотходных производств [1].
Рудное сырьё в России добывается различными методами. Более дешевая добыча открытым способом позволяет уменьшить потери сырья, однако активное использование этого способа приводит к исключению из природопользования больших земельных площадей и образованию огромного объёма отходов пустой породы. Только в России накоплены свыше 45 млрд. т отходов различного класса опасности.
Что касается железной руды, при её добыче открытым способом извлекается почти 100 % руды, а подземным способом – 87 %. В то же время большую проблему представляют огромные объемы отходов горнорудного производства. В процессе добычи железных руд, как и руд других металлов – это, как правило, вскрышные и попутно-добываемые породы.
Анализ выявленных сырьевых ресурсов Российской Федерации показал, что наибольшие объемы приходятся на отходы мокрой магнитной сепарации (ММС), образующиеся при обогащении руд.
Безусловно, возможность вторичного использования отходов горнорудного производства будет оказывать благоприятное воздействие не только на экологическую обстановку окружающей среды, но и позволит производить широкий спектр строительных материалов с высокими эксплуатационными свойствами. При этом обеспечивается существенный экономический эффект в связи с использованием дешевых сырьевых материалов.
Таким образом, наиболее перспективным направлением утилизации отходов обогащения горнорудного производства является их использование в строительном комплексе. Особенно актуальным этот вопрос становится сегодня, в условиях развития и роста числа горнорудных предприятий [2].
Существуют различные методы динамического воздействия на структуру твердого тела для активизации химических и физико-химических процессов.
При дроблении и помоле обеспечивается интенсивное воздействие на железистые кварциты, в результате чего изменяется структура породообразующих минералов. Теоретически возможность инициирования и ускорения химических реакций при механическом воздействии на кварц и другие минералы объясняется поглощением ими определенной доли механической энергии. При дальнейшем деформировании минералов (за пределом текучести) их структура разрушается и энергия расходуется на образование различных дефектов структуры.
Запасенная в хвостах в результате механоактивации энергия влияет на процессы структурообразования в системе «отходы ММС – портландцемент» [3].
Вышеизложенное свидетельствует о том, что обогащение железистых кварцитов представляет собой систему механического воздействия на исходную полиминеральную породу, в результате которого происходит дезинтеграция материала и разделение на магнетитовый концентрат и нерудную составляющую - хвосты ММС.
Выполненный комплекс исследований применения отходов ММС показал, что самое эффективное их использование заключается в механоактивации смеси отходов и цемента и приготовлении нового класса вяжущих – тонкомолотых многокомпонентных цементов (ТМЦ) и вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) (рис. 1).
|
ЭФФЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНВ И ТМЦ
|
|
Укрепление основания автомобильных дорог |
|
Покрытия автомобильных дорог |
|
Высокопроникающие смеси для укрепления щебеночных оснований |
|
Пескоцементные смеси для укрепления щебеночных оснований
|
|
Бортовые и газонные камни |
|
Тротуарная плитка |
|
Стеновые и фундаментные камни |
|
Плиты для полов промышленных зданий |
|
Тонкостенные железобетонные конструкции |
|
Укрепление основания автомобильных дорог |
|
Фигурные элементы мощения |
|
Наливные полы |
|
Растворы для кладки и отделки |
Рис. 1. Области использования ВНВ и ТМЦ
Для получения применяемых вяжущих необходим тонкий совместный помол отходов ММС и цемента. Так как имеющиеся сырье зачастую не соответствует требованиям, а исходные материалы имеют различную гранулометрию, то необходимо использовать различные технологии его обработки.
Тонкий помол осуществляет достаточно интенсивное воздействие на железистые кварциты, в результате чего происходят химические реакции и изменение структуры породообразующих минералов. При использовании тонкого цемента, рост твердой кристаллической части происходит быстрее.
В результате многочисленных исследований установлено, что вторичное использование хвостов обогащения железных руд позволяет получить силикатные бетоны марок 400–700, обладающие следующими свойствами:
- высокая морозостойкость;
- стойкость к воздействию агрессивных сред;
- повышенное сопротивление истиранию (выше аналогичного показателя для бетонов на традиционных заполнителях в 1,5 раза);
- повышенная прочность на изгиб.
Повышенное сопротивление истиранию и повышенная прочность на изгиб обуславливают широкие возможности использования подобных бетонов в дорожном строительстве [4].
Известны положительные результаты лабораторно-технологических и промышленных испытаний отходов обогащения ММС железистых кварцитов КМА в составе шихты при производстве керамического кирпича [5].
Для проведения комплексных экспериментальных исследований, с учетом существующих требования, был выбран опытно-экспериментальный центробежный помольный агрегат (ЦПА) с заданными траекториями движения помольных камер (рис. 2) [6–12]. Разработанный центробежный помольный агрегат предназначен для измельчения материалов с различными физико-механическими свойствами по комбинированному способу помола (сухому и мокрому), как в периодическом, так и в непрерывном режимах.
При исследовании процессов измельчения в ЦПА использовались доступные сырьевые материалы с необходимыми технологическими и экономическими параметрами, благоприятно влияющими на качество и себестоимость готовой продукции. В работе использовались:
- портландцемент марки ЦЕМ I 42,5 Н (ГОСТ 31108-2003), ОАО «Белгородский цементный завод»;
- отходы мокрой магнитной сепарации Михайловского горно-обогатительного комбината (МГОК).
Рис. 2. Центробежный помольный агрегат комбинированного способа измельчения
1 – станина; 2 – вертикальная направляющая; 3 – опорная стойка; 4 – эксцентриковый вал; 5 – рама; 6 – ползун; 7 – ползун; 8 – верхняя помольная камера (сухого измельчения); 9 – средняя помольная камера; 10 – нижняя помольная камера (мокрого измельчения); 11 – классификационная решетка; 12 – загрузочная переходная камера; 13 – разгрузочная переходная камера; 14 – бункер; 15 – гибкий патрубок; 16 – ограничительная решетка; 17 – ограничительная решетка; 18 – загрузочная переходная камера; 19 – разгрузочная переходная камера;
20 – ограничительная решетка; 21 – загрузочная переходная камера; 22 – разгрузочная переходная камера;
23 – жесткий вертикальный патрубок; 24 – жесткий вертикальный патрубок; 25-штуцер; 26 – трубопровод;
27 – резервуар; 28 – объемным дозатор
Вода для исследований бралась питьевая с рН = 7,12, показатели которой удовлетворяют требования ГОСТ 23732-85.
В работе использовалась представительная проба отходов ММС МГОКа. Проба отходов была отобрана по методике согласно ГОСТ 15054-80.
Минералогический состав усредненной пробы отходов мокрой магнитной сепарации характеризуется наличием следующих соединений: минералов кварца, гематита, силикатов железа, рудных карбонатов железа, гидрооксидов железа, магнетита, нерудных карбонатов. Преобладающая фракция железа – гематитовая.
Отходы ММС представляют собой сыпучий достаточно дисперстный материал. Показатели удельной поверхности и плотности были определены экпериментально. Удельная поверхность отходов составляет 250 м2/кг, насыпная плотность ‒ 1460 кг/м3, истинная плотность ‒
2530 кг/м3 .
Анализ химического состава материала показал, что содержание оксида кремния в средних пробах составляет свыше 60 %, что предопределяет возможность их использования в вяжущих композициях в качестве минерального наполнителя.
Исследование гранулометрического состава отходов ММС и применяемого портландцемента методом лазерной гранулометрии с помощью установки MicroSizer 201 показало, что области распределения частиц отходов ММС и портландцемента достаточно сближаются, при этом отмечается, что дисперсность отходов ММС достаточно высока. Результаты исследований представлены на рис. 3.
Рис. 3. График распределения частиц отходов ММС и портландцемента по размерам
Для оценки возможностей по измельчению отходов ММС были проведены предварительные исследования по их помолу в ЦПА сухим и мокрым способом. Эксперимент был проведен следующим образом: помольные камеры были загружены на 30 % соответствующими мелющими телами. Помол проходил при частоте вращения эксцентрикового вала агрегата – 480 об/мин. При мокром способе во вторую помольную камеру при каждом эксперименте подавалась вода (50 % от общего объема материла). После каждых 15 мин работы снимали пробы и делали выводы по результатам процесса измельчения.
Результаты анализа изменения характеристик материала, измельченного сухим способом, приведены на рисунках 4–6, мокрым способом ‒ на рисунках 7–9.
Анализ величины удельной поверхности (см2/см3) показывает, что интенсивность ее увеличения при сухом способе измельчения выше, чем при мокром. Через 45 минут помола удельная поверхность при сухом способе увеличилась в 2,1 раза по сравнению с величиной, определенной через 15 минут. При мокром способе удельная поверхность увеличилась в 1,05 раза. В то же время абсолютная величина удельной поверхности при измельчении мокрым способом существенно выше, полученной при сухом способе. Уже через 15 минут помола ее величина возросла в 2,7 раза. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности использования центробежного помольного агрегата при мокром способе измельчения.
Рис. 4. Гистограмма помола отходов ММС по сухому способу через 15 мин
Рис. 5. Гистограмма помола отходов ММС по сухому способу через 30 мин
Рис. 6. Гистограмма помола отходов ММС по сухому способу через 45 мин
Рис. 7. Гистограмма помола отходов ММС по мокрому способу через 15 мин.
Рис. 8. Гистограмма помола отходов ММС по мокрому способу через 30 мин
Рис. 9. Гистограмма помола отходов ММС по мокрому способу через 45 мин
При измельчении материала в воде, помимо механических, наблюдаются гидродинамические воздействия мелющей среды. Помол суспензии осуществляется в виде мощного турбулентного потока, в котором возникают упругие механические колебания под действием мелющей загрузки.
Проведенные экспериментальные исследования по измельчению материалов в центробежном помольном агрегате разными способами позволяют сделать вывод о существенном превосходстве мокрого измельчения для получения тонкомолотого сырья.
1. Rakhimov R.Z., Magdeev U.Kh., Yarmakovskiy V.N. Ecology, scientific achievements and innovations in the production of building materials on the basis of and with the use of technogenic raw materials. Construction materials, 2009, no 12. pp. 8–11.
2. Chaynikov V.V., Kryuchkov L.A. The practice of using technogenic resources of ferrous and non-ferrous metallurgy in Russia and abroad. M, 1994, 30 p.
3. Avvakumov E.G. Mechanical methods of activation of chemical processes. Novosibirsk: Science, 1986, 304 p.
4. Lesovik V.S., Sheychenko M.S., Alfimova N.I. Composite binders using high-magnesia wastes from the Kovdorsky deposit. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2011, no 1, pp. 1–14.
5. Lesovik V.S., Zagorodniuk L.Kh., Shakhova LDD. Man-made products in the production of dry building mixes. Belgorod: BSTU, 2011, 196 p.
6. Uralsky V.I., Uralsky A.V., Sazhneva E.A., Farafonov A.A. Perspective directions for the use of highly dispersed powders. VII International Youth Forum "Education, Science, Production". Belgorod, 2015.
7. Uralskiy V.I., Farafonov A.A., Sazhneva E.A., Tyurin V.S. Technology for producing highly dispersed components. Energy and resource saving environmentally friendly chemical-technological processes of environmental protection: Sat. report International scientific and technical conf. Belgorod:BSTU, 2015, Part 3, pp. 405–409.
8. Gridchin A.M., Sevostyanov V.S., Lesovik V.S., Uralskiy V.I., Sinitsa E.V. Grinding-mixing unit. Patent RF, no. 2005118705/03, 2006.
9. Gridchin A.M., Sevostyanov V.S., Lesovik V.S., Uralskiy V.I., Sinitsa E.V. Grinding-mixing unit. Patent RF, no. 2008109444/03, 2010.
10. Farafonov A.A., Sevostyanov V.S., Uralskiy V.I., Sinitsa E.V., Uralskiy A.V., Sazhneva E.A. Centrifugal unit combined grinding method. Patent RF, no. 2016149707, 2017.
